JP6442943B2

JP6442943B2 - 蓄電材料の製造装置及び製造方法

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Inventors: 巧美三尾; 西　幸二; 幸二西; 祥子久保田
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Description

本発明は、蓄電材料を製造する製造装置及び製造方法に関するものである。

近年、リチウムイオン二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車等に適用されている。リチウムイオン二次電池の電極は、先ず、活物質材料（蓄電材料）のスラリを得るために増粘剤の溶解液に活物質の粉体等を混練し、次に、活物質材料のスラリをアルミニウム箔等の基材に塗布して乾燥することにより製造される。そして、リチウムイオン二次電池は、電極を所定の大きさに切断してセパレータを挟んで積層し、当該積層体を非水電解液とともに外装に封入することにより製造される。特許文献１，２には、リチウム化合物と二酸化マンガンとを混合して４００°Ｃ〜５００°Ｃ程度で加熱することにより、正極の活物質の粉体を得る製法が記載されている。

特公平８−２４０４３号公報特許第２９７９６４１号公報

活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に濡れ難いため、活物質の粉体及び増粘剤の溶解液の混合物が、製造装置内で堆積し易く、搬送困難になってスラリ製造の連続処理化の障害となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、増粘剤の溶解液に対する活物質の粉体の濡れ性を高められる蓄電材料の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

（請求項１）本発明に係る蓄電材料の製造装置は、少なくとも増粘剤及び活物質を含む蓄電材料を製造する蓄電材料の製造装置であって、前記増粘剤を溶媒に溶解する溶解装置と、前記溶解装置で溶解した前記増粘剤の溶解液の粘度を調整する粘度調整装置と、前記粘度調整装置で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液を加熱する制御を行い、前記増粘剤の溶解液の粘度が所定粘度となるように前記増粘剤の溶解液の粘度と前記増粘剤の溶解液の温度との関係に基づいて前記増粘剤の溶解液の温度が所定温度に達した場合に加熱する制御を停止する加熱装置と、前記粘度調整装置で粘度調整し且つ前記加熱装置で加熱された前記増粘剤の溶解液に前記活物質の粉体を混合して第一混合物を生成すると共に、前記第一混合物を攪拌して第二混合物を生成する攪拌装置と、前記攪拌装置で攪拌された前記第二混合物を冷却する制御を行い、前記第二混合物の温度が前記粘度調整装置で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液の温度に達した場合に冷却する制御を停止する冷却装置と、前記攪拌装置で生成され且つ前記冷却装置で冷却された前記第二混合物を混練して第三混合物を生成する混練装置と、を備え、前記溶解装置、前記粘度調整装置、前記加熱装置、前記攪拌装置、前記冷却装置及び前記混練装置を連続的に動作させることにより前記蓄電材料を製造する。

これにより、増粘剤の溶解液は、活物質の粉体とともに攪拌される際には加熱されているので、増粘剤の溶解液の粘度が低下し、増粘剤の溶解液に対する活物質の粉体の濡れ速度が上昇する。よって、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に馴染み易くなるので、増粘剤の溶解液及び活物質の粉体の混合物が、製造装置内で堆積することはなくスムーズな搬送が可能となる。また、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に対し濡れ性が向上するので、増粘剤の溶解液に短時間に分散して損傷を抑制することができる。そして、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に均一に分散するので、電極の品質を向上させることができ、電池性能を高めることができる。また、第二混合物を冷却することで、冷却後の第二混合物の温度を、粘度調整装置で粘度を調整された増粘剤の溶解液の温度にすること、すなわち増粘剤の溶解液の粘度を粘度調整した状態に戻すことができるので、電池性能に関係する活物質のスラリの粘度が得られる。

（請求項２）前記粘度調整装置は、記憶された前記増粘剤の溶解液の粘度と最終的な前記活物質のスラリの粘度との関係に基づいて、前記増粘剤の溶解液の粘度を決定し、決定した前記増粘剤の溶解液の粘度となるように前記溶解装置で溶解した溶解液の粘度を調整する、ようにしてもよい。これにより、最終的な活物質のスラリの粘度は、界面活性剤を含む増粘剤の溶解液の粘度と比例関係にあることから、界面活性剤を含む増粘剤の溶解液の粘度を所定値に調整することにより、活物質のスラリの粘度を電池の初期性能および塗布・乾燥工程の実行性の兼ね合いから定められる所定範囲内に調整することができる。
（請求項３）本発明に係る蓄電材料の製造方法は、少なくとも増粘剤及び活物質を含む蓄電材料を製造する蓄電材料の製造方法であって、前記増粘剤を溶媒に溶解する溶解工程と、前記溶解工程で溶解した前記増粘剤の溶解液の粘度を調整する粘度調整工程と、前記粘度調整工程で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液を加熱する制御を行い、前記増粘剤の溶解液の粘度が所定粘度となるように前記増粘剤の溶解液の粘度と前記増粘剤の溶解液の温度との関係に基づいて前記増粘剤の溶解液の温度が所定温度に達した場合に加熱する制御を停止する加熱工程と、前記粘度調整工程で粘度調整し且つ前記加熱工程で加熱された前記増粘剤の溶解液に前記活物質の粉体を混合して第一混合物を生成すると共に、前記第一混合物を攪拌して第二混合物を生成する攪拌工程と、前記攪拌工程で攪拌された前記第二混合物を冷却する制御を行い、前記第二混合物の温度が前記粘度調整工程で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液の温度に達した場合に冷却する制御を停止する冷却工程と、前記攪拌工程で生成され且つ前記冷却工程で冷却された前記第二混合物を混練して第三混合物を生成する混練工程と、を備え、前記溶解工程、前記粘度調整工程、前記加熱工程、前記攪拌工程、前記冷却工程及び前記混練工程を連続的に行うことにより前記蓄電材料を製造する。
本発明の蓄電材料の製造方法によれば、上述した蓄電材料の製造装置における効果と同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態：蓄電材料の製造装置の概略構成図である。本発明の実施の形態：蓄電材料の製造装置の制御装置による処理を示す第一のフローチャートである。本発明の実施の形態：蓄電材料の製造装置の制御装置による処理を示す第二のフローチャートである。増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解液の温度との関係及び水の表面張力と水の温度との関係を示す図である。活物質の沈降時間と増粘剤の溶解液の温度との関係を示す図である。増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶媒に対する溶解度との関係を示す図である。マイクロ波による増粘剤の溶解液の粘度、撹拌力による増粘剤の溶解液の粘度及び加熱による増粘剤の溶解液の粘度の経時変化を示す図である。最終的な活物質のスラリの粘度と増粘剤の溶解液の粘度との関係を示す図である。超音波による増粘剤の溶解液の粘度調整及び撹拌力による増粘剤の溶解液の粘度調整の経時変化を示す図である。電池の容量維持率、すなわち電池の耐久性（繰り返し充放電特性）と活物質のスラリの粘度との関係を示す図である。電池の容量維持率と活物質材料の累積衝突エネルギとの関係を示す図である。

（製造装置及び製造方法により製造される蓄電材料）
本実施形態による蓄電材料の製造装置及び製造方法は、例えば、リチウムイオン二次電池の電極（正極及び負極）を製造するための装置及び方法を構成する。リチウムイオン二次電池の電極は、アルミニウム箔や銅箔等の基材に蓄電材料として活物質材料のスラリを塗布して乾燥することにより製造される。本実施形態の蓄電材料の製造装置及び製造方法は、活物質材料のスラリを製造する装置及び製造方法である。

活物質材料の具体例としては、正極の電極の場合、活物質としてリチウムニッケル酸化物等（固形分）、溶媒としてＮ−メチルピロリドン等（液体分）、導電助材としてアセチレンブラック等及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン等がある。負極の電極の場合、活物質としてグラファイト等（固形分）、溶媒として水（液体分）、増粘材としてカルボキシメチルセルロース等及びバインダとしてＳＢＲゴムやポリアクリル酸等がある。以下では、負極の電極の活物質材料について説明する。

ここで、課題でも述べたように、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に濡れ難く、混練の連続処理化の障害となっているため、活物質の粉体及び増粘剤の溶解液の濡れ性を改善、すなわち濡れ速度を高める必要がある。濡れ速度は、活物質の粉体の表面張力及び増粘剤の溶解液の表面張力で表される濡れ角、並びに増粘剤の溶解液の粘度で表すことができる。

濡れ速度を高める方策としては、活物質の粉体の表面張力を大きくして濡れ角を大きくするか、増粘剤の溶解液の表面張力を小さくして濡れ角を大きくするか、増粘剤の溶解液の粘度を小さくすればよい。活物質の粉体の表面張力を大きくするには、紫外線照射による表面改質を実施すればよい。増粘剤の溶解液の表面張力を小さくするには、温度上昇、または界面活性剤の添加を実施すればよい。増粘剤の溶解液の粘度を小さくするには、温度上昇、または分子量の変更を実施すればよい。上記実施事項の中では、増粘剤の溶解液の温度を上昇させることで、増粘剤の溶解液の表面張力及び粘度を共に小さくすることができ、濡れ速度を高めるのに効果的である。

増粘剤の溶解液の粘度が、当該溶解液の温度上昇によってどのように変化するかを把握するため実験を行った。実験の結果、図３の実線で示すように、増粘剤の溶解液の粘度は、増粘剤の溶解液の温度が上昇するに従って小さくなる。なお、図３には、参考として一点鎖線で示すように、水の表面張力の温度上昇による変化を示す。水の表面張力は、当該水の温度が上昇するに従って小さくなる。増粘剤を溶解する溶媒は、水であることから、同様に増粘剤の溶解液の表面張力は、当該溶解液の温度が上昇するに従って小さくなると考えられる。

次に、活物質の粉体及び増粘剤の溶解液の濡れ速度が、増粘剤の溶解液の温度上昇によってどのように変化するかを把握するため実験を行った。濡れ速度は、増粘剤の溶解液の液面に、活物質の粉体をそれぞれ投入し、活物質の粉体が増粘剤の溶解液の液底に到達するまでの沈降時間を測定することにより評価した。実験の結果、図４に示すように、増粘剤の溶解液に対する活物質の粉体の沈降時間は、増粘剤の溶解液の温度が上昇するに従って短くなる。よって、活物質の粉体及び増粘剤の溶解液の濡れ性を大幅に改善することができ、電池性能をさらに高めることができる。

（蓄電材料の製造装置の構成）
本実施形態の蓄電材料の製造装置について、図１を参照して説明する。蓄電材料の製造装置１は、溶解装置２と、粘度調整装置３と、加熱装置４と、攪拌装置５と、冷却装置６と、混練装置７と、制御装置８等とを備える。

制御装置８は、溶解装置２、粘度調整装置３、加熱装置４、攪拌装置５、冷却装置６及び混練装置７の駆動等を制御する装置である。制御装置８の記憶部８１には、増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解液の温度との関係を示すデータ（図３参照）、増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶媒に対する溶解度との関係を示すデータ（図５参照）、増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解時間との関係を示すデータ（図６参照）、活物質材料のスラリの粘度と増粘剤の溶解液の粘度との関係を示すデータ（図７参照）、増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解液の粘度調整時間との関係を示すデータ（図８参照）、その他の混練制御等に関するデータが記憶される。

溶解装置２は、ハウジング内において増粘剤を溶媒に溶解する装置であり、マグネトロンを有するマイクロ波装置を備える。制御装置８は、マイクロ波装置を駆動してマイクロ波を発生させ、ハウジング内に供給した溶媒にマイクロ波を付与して増粘剤を溶媒に溶解する。

粘度調整装置３は、ハウジング内において溶解装置２で溶解した増粘剤の溶解液の粘度を調整する装置であり、圧電素子等の超音波発生素子を有する超音波装置を備える。制御装置８は、超音波装置を駆動して超音波を発生させ、ハウジング内に供給した増粘剤の溶解液に超音波を付与して当該溶解液の粘度を調整する。すなわち、制御装置８は、最終的な活物質材料のスラリの粘度に基づいて、増粘剤の溶解液の粘度を決定し、決定した粘度となるように、超音波を所定時間付与する粘度調整を制御する。

加熱装置４は、ハウジング内において粘度調整装置３で粘度調整した増粘剤の溶解液を加熱する装置であり、ニクロム等でなる電熱線及び熱電対等の測温計を備える。制御装置８は、電熱線に通電して電熱線を発熱させ、ハウジング内に供給した増粘剤の溶解液の粘度が一時的に小さくなるように当該溶解液を加熱する。なお、加熱装置４は、加熱機能を有すれば電熱線以外の例えばヒートポンプ等を備える構成としてもよい。

攪拌装置５は、ハウジング内において加熱装置４で加熱した増粘剤の溶解液を活物質の粉体と混合して攪拌する装置であり、モータにより回転する攪拌羽根を備える。制御装置８は、モータを駆動して撹拌羽根を回転させ、ハウジング内に投入した活物質の粉体を増粘剤の溶解液と混合して第一混合物を生成し、さらに第一混合物を攪拌して第二混合物を生成する。

冷却装置６は、ハウジング内において攪拌装置５で生成した第二混合物を冷却する装置であり、ヒートポンプ及び熱電対等の測温計を備える。制御装置８は、ヒートポンプを動作させ、ハウジング内に供給した第二混合物に含まれる増粘剤の溶解液の粘度が大きくなるように、すなわち粘度調整装置３で粘度調整した状態に戻すように当該溶解液を冷却する。なお、冷却装置６は、冷却機能を有すればヒートポンプ以外の例えばペルチェ素子等を備える構成としてもよい。

混練装置７は、ハウジング内において冷却装置６で冷却した第二混合物に含まれる増粘剤の溶解液及び活物質の粉体を混練して第三混合物を生成する装置であり、モータにより回転する攪拌羽根を備える。制御装置８は、モータを駆動して撹拌羽根を回転させ、ハウジング内に供給した混合物を撹拌して混練し、活物質材料のスラリを製造する。詳細は後述するが、混練の指標は、活物質材料の粒子の運動エネルギ、活物質材料の粒子の平均自由行程及び活物質材料の混練時間に基づいて設定される。そして、制御装置８は、設定した混練の指標が目標値以下となるように混練の条件を設定し、設定した混練の条件にしたがって活物質材料の混練を制御する。

ここで、攪拌装置５における混合とは、増粘剤の溶解液に活物質の粉体を投入した状態をいう。また、攪拌装置５における攪拌とは、第一混合物を掻き混ぜた状態（予備混練状態）をいい、増粘剤の溶解液が冷却される前の状態をいう。また、混練装置７における混練とは、第二混合物を練り混ぜた状態（本混練状態）をいい、増粘剤の溶解液が冷却された後の状態をいう。

（制御装置による処理）
次に、制御装置８による処理について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。制御装置８は、増粘剤の溶解に関するデータを読み込み（図２ＡのステップＳ１）、増粘剤及び溶媒等を溶解装置２に供給する（図２ＡのステップＳ２）。そして、制御装置８は、溶解装置２を駆動し（図２ＡのステップＳ３）、増粘剤の溶解液の溶解度が所定値に達したら（図２ＡのステップＳ４）、溶解装置２の駆動を停止する（図２ＡのステップＳ５）。

具体的には、制御装置８は、記憶部８１から増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶媒に対する溶解度との関係を示すデータ、及び増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解時間との関係を示すデータを読み出し、所定量の増粘剤及び溶媒を溶解装置２のハウジング内に供給する。そして、制御装置８は、溶解装置２のマイクロ波装置を駆動しハウジング内の溶媒にマイクロ波を付与して増粘剤を溶解し、マイクロ波装置を増粘剤の溶解液の溶解度が所定値に達する時間駆動したら、マイクロ波装置の駆動を停止する。

すなわち、図５に示すように、増粘剤の溶解液の粘度μは、溶媒に増粘剤を投入した直後の溶媒に増粘剤が溶解していない溶解度０％のときをμｏとすると、溶解度が８０％になるとμｇ（＞μｏ）に上昇し、溶媒に増粘剤が完全に溶解した溶解度１００％のときはμｓ（＞μｇ）まで上昇する。そして、増粘剤の溶解液の溶解度が、８０％に達するまでマイクロ波装置を駆動するとした場合、図６に示すように、マイクロ波装置の駆動時間、すなわち増粘剤溶解時間Ｔは、増粘剤の溶解液の粘度μがμｏからμｇに達するまでのＴｇとなる。

ここで、マイクロ波による溶解は、溶媒にマイクロ波を照射して振動させ、溶媒を増粘剤に浸透させることにより行っている。このマイクロ波の周波数帯域としては、溶媒がマイクロ波のエネルギを吸収し易い帯域が望ましく、例えば溶媒として水を使用する場合、０．９ＧＨｚ〜４００ＧＨｚの周波数帯域が使用される。

なお、増粘剤の溶媒に対する溶解は、従来のように撹拌することにより行ってもよいが、本実施形態ではマイクロ波により溶媒を振動させて増粘剤を溶媒に溶解している。図６に示すように、マイクロ波の振動による溶媒に対する増粘剤の溶解の方が、撹拌力による溶媒に対する増粘剤の溶解や加熱、例えば高温にした溶媒に対する増粘剤の溶解よりも効率よく行うことができるためである。

すなわち、増粘剤の溶解液の目標値である粘度μｓに調整する時間Ｔは、撹拌力による場合はＴ１２、加熱による場合はＴ１３（＞Ｔ１２）掛かるのに対し、マイクロ波による場合はＴ１１（＜Ｔ１２＜Ｔ１３）に短縮することができる。よって、マイクロ波による溶解に必要な電力は、撹拌力による溶解に必要な電力よりも低減される。

次に、制御装置８は、粘度調整に関するデータを読み込み（図２ＡのステップＳ６）、粘度調整装置３を駆動し（図２ＡのステップＳ７）、所定の粘度調整時間経過したか否かを判断し（図２ＡのステップＳ８）、所定の粘度調整時間経過したら、粘度調整装置３の駆動を停止する（図２ＡのステップＳ９）。
具体的には、制御装置８は、粘度調整装置３の超音波装置を駆動して超音波をハウジング内の増粘剤の溶解液に所定の粘度調整時間付与して増粘剤の溶解液の粘度を調整し、超音波装置を増粘剤の溶解液の粘度が所定値に達する時間駆動したら、超音波装置の駆動を停止する。

ここで、増粘剤の溶解液の粘度調整について説明する。図７に示すように、最終的な活物質材料のスラリの粘度νは、増粘剤の溶解液の粘度μと比例関係にある。よって、活物質材料のスラリの粘度νは、増粘剤の溶解液の粘度μを所定値に調整することにより、電池の初期性能及び塗布・乾燥工程の実行性の兼ね合いから定められる所定範囲内νａ〜νｂに調整することができる。

増粘剤の溶解液の粘度μは、図７に示す所定の粘度範囲内μａ〜μｂ又は当該所定の粘度範囲の上限値μｂより所定値高い値μｃに調整する。活物質の粉体等との混練を行い最終的な活物質材料のスラリ粘度を得るための粘度調整時間は、増粘剤の溶解液の粘度を最終的な活物質材料のスラリ粘度に近い所定の粘度範囲内μａ〜μｂに調整することで短縮される。よって、活物質が、せん断力を受ける時間は短縮されるので、活物質の損傷を低くすることができる。また、増粘剤の溶解液の粘度μが、上限値μｂより所定値高い値μｃになっても、後で溶媒を加えることにより所定の粘度範囲内μａ〜μｂに調整可能だからである。

増粘剤の溶解液の粘度調整は、従来のように撹拌力によるせん断エネルギで増粘剤の分子鎖を切断することにより行ってもよいが、本実施形態では超音波による衝突エネルギとせん断エネルギで増粘剤の分子鎖を切断することにより行っている。図８に示すように、超音波による増粘剤の溶解液の粘度調整の方が、撹拌力による増粘剤の溶解液の粘度調整よりも効率よく調整できるためである。

すなわち、増粘剤の溶解液の目標値である粘度μｐに調整する時間Ｔは、撹拌力による場合はＴ２掛かるのに対し、超音波による場合はＴ１（＜Ｔ２）に短縮することができる。よって、超音波による粘度調整に必要な電力は、撹拌力による粘度調整に必要な電力よりも低減される。なお、増粘剤の溶解液の粘度μは、粘度調整時間Ｔの経過とともに低下していき、最終的に水の粘度に収束する。

次に、制御装置８は、増粘剤の溶解液の温度に関するデータを読み込み（図２ＡのステップＳ１０）、加熱装置４を作動し（図２ＡのステップＳ１１）、増粘剤の溶解液の温度が所定の温度に達したか否かを判断し（図２ＡのステップＳ１２）、所定の温度に達したら、加熱装置４の作動を停止する（図２ＢのステップＳ１３）。
具体的には、制御装置８は、記憶部８１から増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解液温度との関係を示すデータを読み出し、加熱装置４の電熱線に通電して電熱線を発熱させ、ハウジング内の増粘剤の溶解液の温度が所定値に達して当該溶解液の粘度が一時的に小さくなったら、加熱装置４の電熱線への通電を停止する。

次に、制御装置８は、攪拌装置５を駆動し（図２ＢのステップＳ１４）、所定の攪拌時間経過したか否かを判断し（図２ＢのステップＳ１５）、所定の攪拌時間経過したら、攪拌装置５の駆動を停止する（図２ＢのステップＳ１６）。
具体的には、制御装置８は、攪拌装置５のモータを駆動して撹拌羽根を所定の攪拌時間回転させ、ハウジング内に投入した活物質の粉体を増粘剤の溶解液と混合して第一混合物を生成し、さらに第一混合物を攪拌して第二混合物を生成し、撹拌羽根を所定の攪拌時間回転させたら、モータの駆動を停止する。

次に、制御装置８は、先に読み込んだ増粘剤の溶解液の温度に関するデータに基づいて冷却装置６を作動し（図２ＢのステップＳ１７）、増粘剤の溶解液の温度が所定の温度に達したか否かを判断し（図２ＢのステップＳ１８）、所定の温度に達したら、冷却装置６の作動を停止する（図２ＢのステップＳ１９）。
具体的には、制御装置８は、増粘剤の溶解液の粘度と増粘剤の溶解液温度との関係を示すデータに基づいて、冷却装置６のヒートポンプを動作させ、ハウジング内の増粘剤の溶解液の温度が所定値に達して当該溶解液の粘度が粘度調整装置３で粘度調整した状態に戻ったら、冷却装置６のヒートポンプの動作を停止する。

次に、制御装置８は、増粘剤の溶解液及び活物質の粉体等の混合物の混練に関するデータを読み込み（図２ＢのステップＳ２０）、混練装置７を駆動し（図２ＢのステップＳ２１）、所定の混練時間経過したか否かを判断する（図２ＢのステップＳ２２）。制御装置８は、所定の混練時間経過したら、混練装置７の駆動を停止し（図２ＢのステップＳ２３）、最終的な活物質材料のスラリを製造する。
具体的には、制御装置８は、記憶部８１から混練時間のデータを読み出し、モータを駆動して撹拌羽根を所定の混練時間回転させ、ハウジング内に供給された第二混合物を混練し、撹拌羽根を所定の混練時間回転させたら、モータの駆動を停止する。

ここで、混練の指標及び条件の設定について説明する。図９の実験結果に示すように、電池の容量維持率Ｐ、すなわち電池の耐久性（繰り返し充放電特性）は、活物質材料のスラリの粘度νの上昇に伴って上昇する。ところが、電池の容量維持率Ｐは、混練装置の撹拌羽根の混練周速ｖを高めると（ｖａ＜ｖｂ）、活物質材料のスラリの粘度νが同一になるように混練しても低下する。
活物質材料の粒子は、撹拌羽根の混練周速ｖが速くなると混練中の衝突回数が多くなって損傷する確率が高くなる。そして、電解液の分解は、活物質材料の粒子が損傷して小さく***すると、表面積が増大し促進される。以上のことから、電池の容量維持率Ｐは、活物質材料の粒子の損傷が大きく関わっていることが考えられる。

活物質材料の粒子の損傷の要因としては、撹拌羽根の混練周速ｖの他に、活物質材料の混練時間ｔや活物質材料の固形分率（固形分／（固形分＋液体分））ηが考えられる。そこで、既知の平均自由行程に基づいて、活物質材料の粒子が、所定空間内を自由運動するモデルで活物質材料の粒子の衝突回数を求める。そして、混練の指標となる活物質材料の累積衝突エネルギＤは、次式（１）に示すように、活物質材料の粒子の運動エネルギｍｖ²／２と活物質材料の粒子の衝突回数√（２）・η・σ・ｖと活物質材料の混練時間ｔとを乗算することにより求めることができる。これにより、混練する前の段階で混練での活物質材料の粒子の損傷状態は予測可能となる。

ここで、Ｄ：活物質材料の粒子の累積衝突エネルギ、ｍ：活物質材料の単粒子重量、ｖ：撹拌羽根の混練周速、η：活物質材料の固形分率、σ：活物質材料の粒子の平均粒径、ｔ：活物質材料の混練時間

そして、図１０に示すように、電池の容量維持率Ｐと活物質材料の累積衝突エネルギＤとの関係を求める。この関係は、活物質材料の粒子の損傷の要因となる撹拌羽根の混練周速ｖ、活物質材料の固形分率η（固形分率は、固形分と液体分との比率を変化させる）及び活物質材料の混練時間ｔを調整することにより求める。そして、このときの関係式Ｐ＝ｆ（Ｄ）を求め、必要最低限の電池の容量維持率Ｐｐとなる活物質材料の累積衝突エネルギＤｐを求め、活物質材料の累積衝突エネルギがＤｐ以下となる混練の条件、すなわち撹拌羽根の混練周速ｖ、活物質材料の固形分率η及び活物質材料の混練時間ｔを設定する。

上述したように、活物質材料の粒子の衝突回数は、活物質材料の粒子の平均自由行程に基づいて、活物質材料の粒子が所定空間内を自由運動するモデルで求めている。よって、活物質材料の累積衝突エネルギは、この活物質材料の粒子の衝突回数と活物質材料の運動エネルギと活物質材料の混練時間とを乗算することにより求めることができ、電池の耐久性の指標として用いることができる。そして、活物質材料の粒子が損傷し難い混練は、混練する前の段階で混練での活物質材料の粒子の損傷状態を予測することで可能となる。よって、耐久性の高い電池の製造が可能となる。

上述の蓄電材料の製造装置１によれば、増粘剤の溶解液は、活物質の粉体とともに攪拌される際には加熱されているので、増粘剤の溶解液の粘度が低下し、増粘剤の溶解液に対する活物質の粉体の濡れ速度が上昇する。よって、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に馴染み易くなるので、増粘剤の溶解液及び活物質の粉体の混合物が、製造装置１内で堆積することはなくスムーズな搬送が可能となる。また、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に対し濡れ性が向上するので、増粘剤の溶解液に短時間に分散して損傷を抑制することができる。そして、活物質の粉体は、増粘剤の溶解液に均一に分散するので、電極の品質を向上させることができ、電池性能を高めることができる。

（別形態）
なお、上述の実施形態では、加熱装置４は、粘度調整装置３と攪拌装置５との間に配置する構成としたが、溶解装置２と粘度調整装置３との間に配置する構成としてもよい。これにより、増粘剤の溶解液は、当該溶解液の粘度調整を行う際には粘度が低下しているので、粘度調整装置３による粘度調整精度を向上できる。
さらに、加熱装置４は、以下の構成でもよい。すなわち、攪拌装置５は、電熱線等を備え、加熱機能を有する構成としてもよい。これにより、増粘剤の溶解液は、活物質の粉体と一緒に攪拌されるとともに加熱されるので、製造効率を向上でき、また、加熱装置としては、新たな装置を設けなくてよいので、装置コストの上昇を抑制できる。

また、粘度調整装置３は、高出力の超音波装置を備え、加熱機能を有する構成としてもよい。これにより、増粘剤の溶解液は、粘度調整されるとともに加熱されるので、製造効率を向上でき、また、加熱装置としては、新たな装置を設けなくてよいので、装置コストの上昇を抑制できる。また、粘度調整装置３としては、超音波装置を撹拌羽根に置き換えた構成としてもよい。この場合、加熱機能を有する粘度調整装置３としては、電熱線等を備えた構成とする。

また、溶解装置２は、マイクロ波装置による加熱機能を有する構成としてもよい。これにより、増粘剤は、溶媒に溶解されるとともに、当該溶解液は、加熱されるので、製造効率を向上でき、また、加熱装置としては、新たな装置を設けなくてよいので、装置コストの上昇を抑制できる。また、溶解装置２としては、マイクロ波装置を撹拌羽根に置き換えた構成としてもよい。この場合、加熱機能を有する溶解装置２としては、電熱線等を備えた構成とする。

また、上述の実施形態では、冷却装置６は、攪拌装置５と混練装置７の間に配置する構成としたが、混練装置７が、ヒートポンプを備え、冷却機能を有する構成としてもよい。これにより、増粘剤の溶解液は、粘度が粘度調整された状態に戻るので、増粘剤の溶解液に対する活物質の粉体の分散性を向上できる。よって、活物質の粉体は、混練装置７による混練により増粘剤の溶解液に均一に分散するので、電極の品質を向上させることができ、電池性能を高めることができる。また、冷却装置６は、混練装置７の後に配置する構成としてもよい。また、蓄電材料の製造装置１には、冷却装置６を設けず、増粘剤の溶解液を自然冷却する構成としてもよい。

また、上述の実施形態では、リチウムイオン二次電池の負極用の活物質材料を製造する場合について説明したが、リチウムイオン二次電池の正極用の活物質材料を製造する場合も適用可能である。その場合、ポリフッ化ビニリデン等のバインダをＮ−メチルピロリドン等の溶媒に対して溶解するときにマイクロ波を照射するが、当該溶解液にアセチレンブラック等の導電助材を混ぜるときは超音波を照射しない。アセチレンブラック等の導電助材の混ぜる量により溶解液の粘度が調整可能なためである。

また、本発明が適用される蓄電材料としては、リチウムイオン二次電池の電極用の活物質材料に限定されるものではなく、蓄電材料であれば例えばキャパシタの材料等にも適用可能である。
また、さらに濡れ速度を高める方策としては、増粘剤の溶解液に界面活性剤を添加し、増粘剤の溶解液の表面張力を小さくして濡れ角を大きくすればよい。界面活性剤としては、フッ素系が化学的安定性が高く、充放電時に分解しないので、活物質の粉体及び増粘剤の溶解液の濡れ性を改善するものとして使用可能であり、電池性能を高めることができる。

１：蓄電材料の製造装置、２：溶解装置、３：粘度調整装置、４：加熱装置、５：攪拌装置、６：冷却装置、７：混練装置、８：制御装置、８１：記憶部

Claims

少なくとも増粘剤及び活物質を含む蓄電材料を製造する蓄電材料の製造装置であって、
前記増粘剤を溶媒に溶解する溶解装置と、
前記溶解装置で溶解した前記増粘剤の溶解液の粘度を調整する粘度調整装置と、
前記粘度調整装置で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液を加熱する制御を行い、前記増粘剤の溶解液の粘度が所定粘度となるように前記増粘剤の溶解液の粘度と前記増粘剤の溶解液の温度との関係に基づいて前記増粘剤の溶解液の温度が所定温度に達した場合に加熱する制御を停止する加熱装置と、
前記粘度調整装置で粘度調整し且つ前記加熱装置で加熱された前記増粘剤の溶解液に前記活物質の粉体を混合して第一混合物を生成すると共に、前記第一混合物を攪拌して第二混合物を生成する攪拌装置と、
前記攪拌装置で攪拌された前記第二混合物を冷却する制御を行い、前記第二混合物の温度が前記粘度調整装置で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液の温度に達した場合に冷却する制御を停止する冷却装置と、
前記攪拌装置で生成され且つ前記冷却装置で冷却された前記第二混合物を混練して第三混合物を生成する混練装置と、
を備え、
前記溶解装置、前記粘度調整装置、前記加熱装置、前記攪拌装置、前記冷却装置及び前記混練装置を連続的に動作させることにより前記蓄電材料を製造する、蓄電材料の製造装置。
前記粘度調整装置は、
記憶された前記増粘剤の溶解液の粘度と最終的な前記活物質のスラリの粘度との関係に基づいて、前記増粘剤の溶解液の粘度を決定し、決定した前記増粘剤の溶解液の粘度となるように前記溶解装置で溶解した溶解液の粘度を調整する、請求項１の蓄電材料の製造装置。
少なくとも増粘剤及び活物質を含む蓄電材料を製造する蓄電材料の製造方法であって、
前記増粘剤を溶媒に溶解する溶解工程と、
前記溶解工程で溶解した前記増粘剤の溶解液の粘度を調整する粘度調整工程と、
前記粘度調整工程で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液を加熱する制御を行い、前記増粘剤の溶解液の粘度が所定粘度となるように前記増粘剤の溶解液の粘度と前記増粘剤の溶解液の温度との関係に基づいて前記増粘剤の溶解液の温度が所定温度に達した場合に加熱する制御を停止する加熱工程と、
前記粘度調整工程で粘度調整し且つ前記加熱工程で加熱された前記増粘剤の溶解液に前記活物質の粉体を混合して第一混合物を生成すると共に、前記第一混合物を攪拌して第二混合物を生成する攪拌工程と、
前記攪拌工程で攪拌された前記第二混合物を冷却する制御を行い、前記第二混合物の温度が前記粘度調整工程で粘度を調整された前記増粘剤の溶解液の温度に達した場合に冷却する制御を停止する冷却工程と、
前記攪拌工程で生成され且つ前記冷却工程で冷却された前記第二混合物を混練して第三混合物を生成する混練工程と、
を備え、
前記溶解工程、前記粘度調整工程、前記加熱工程、前記攪拌工程、前記冷却工程及び前記混練工程を連続的に行うことにより前記蓄電材料を製造する、蓄電材料の製造方法。